示波器的有效位数对信号测量到底有什么影响?

2019-05-22来源: EEWORLD关键字:示波器

衡量示波器测试系统质量的关键指标有很多,而“有效位数”对于了解整个测量系统至关重要。本文将讨论示波器有效位ENOB,以及ENOB对实际信号测试的影响,并结合实际应用,给出EXCEL求解的方法。

 

  1. 前言

 

 

图表 1数字示波器系统结构图

 

由图表 1数字示波器系统结构可知,信号通过探头系统进入示波器后,经过衰减器和前置放大器调理后进入ADC。衰减电路和放大器通过继电器进行协同工作,在调整垂直分辨率时可快速切换使用。衡量ADC性能指标的参数有很多,比如采样率、DNL、INL、信噪比、有效位等。本文主要讨论ADC的有效位指标以及示波器系统的有效位。

 

  1. ADC有效位定义

 

说明: E:�000快捷键Links简述示波器系统ENOB图2 ADC采集的正弦波频域分布.png

 

图表 2 ADC采集的正弦波频域分布

 

ADC的有效位指标是对正弦波信号进行FFT频谱分析间接计算得到的。图表 2是正弦波经过AD采样再经过FFT变换得到的频域分布图,除了主要的正弦波分量外还存在很多噪声、谐波和杂散信号。

 

ADC的有效位定义为

 

 

 

式中:1.76为理想ADC的量化噪声;6.02为将log2转化为log10的系数比。

 

  1. 示波器的有效位ENOB

 

ENOB参数被业界广泛接受为是一种通用的判定A/D数模转换、示波器系统或其它数字化系统性能优劣的指标。所有的数字化系统中都存在多种误差,这些误差会影响系统获取的电压与 “理想” 电压存在偏差。对一个理想的示波器系统而言,在最大输入带宽范围内,系统有效位数应和A/D的转换分辨率相同。在现实中,所有的仪器都不可能是理想的,ENOB通常是低于其A/D转换分辨率的。

 

由图表 1数字示波器系统架构图可知,前端采集电路及ADC采样电路对ENOB有较大影响。实际工作时,偏置误差、非线性误差、增益误差、随机噪声以及ADC交织引起的噪声都会影响ENOB。

 

说明: C:UsersAdministratorDesktop�422微信文章模板图3 示波器ENOB曲线.png

 

图表 3示波器ENOB曲线

 

  1. ENOB对实际信号测量的影响

 

说明: C:UserschenjiamingDesktop5d713e7ah9c70b0b12707&690.jpg

 

图表 4两台示波器测量同一信号

 

示波器的ENOB指标好,时间误差、频率杂散(通常由拼接误差引起)都比较小,同时宽带噪声也比较低;

 

ENOB没有考虑相位不一致和频响失真等;

 

理想情况下所有示波器都具有平坦的相位和频响曲线以及相同的滚降方式。但事实上一般在示波器指标手册里都找不到相位和频响曲线,同样ENOB也没有考虑频响平坦度或相位的不一致性。图表 4显示了一个输入信号在两台不同的示波器上的测量结果。两台示波器的ENOB是相同的,但示波器1显示的波形更加接近真实的输入信号,而示波器2显示的波形就失真比较大。

 

ENOB没有考虑到示波器可能引入的偏置误差;

 

两台有相同ENOB的示波器可能显示的波形形状完全一样,但是绝对电压偏置不一样。对于这一点,测量示波器在不同偏置下的底噪声或者评估直流增益指标可以提供更好的评价方法。

 

  1. 示波器ENOB的测量

 

示波器ENOB的测量需要考虑以下几点因素:

 

1)       测试源的ENOB要比被测示波器的ENOB大。

 

2)       被测信号是否充满示波器量程会影响ENOB的测试结果。

 

3)       被测信号频率与示波器采样率会影响ENOB的测试结果。这一点很重要,在实际测试中必须满足以下条件。(详细可在“ZLG立功科技-致远电子”微信公众号文章搜索‘千万别错过!这些FFT干货真的很受用’)

 

 

式中:

 

n:质数;

 

N:FFT的分析点数,此处取4096个点;

 

Fs:示波器采样率;

 

Fin:被测信号频率。

 

根据以上几点,示波器ENOB的测量的大体思路和相关步骤如下:

 

1)        示波器设置合适的垂直档位、时基档位、储存深度和采样率。采样率可通过调节时基档位和储存深度改变;

 

说明: C:UserschenjiamingDesktop1-1.png

 

图表 5示波器ENOB测试截图

 

2)       导出数据报表.SCV文件;

 

说明: C:UserschenjiamingDesktop4.png

 

图表 6示波器导出.SCV文件

 

3)       利用EXCEL对数据进行傅里叶变换,并计算ENOB。

 

(EXCEL模板百度云链接:https://pan.baidu.com/s/1ciUuB3oKfco-10QkR4o3TA 提取码: x8i5)

 

说明: C:UserschenjiamingDesktopQQ截图20190506095045.png

 

图表 7EXCEL处理数据求解ENOB

 

不同幅度和频率被测信号的情况下,利用EXCEL处理数据求解示波器ENOB。结果如图表 8所示,虽然ZDS2020B Plus采用8位ADC,由于被测信号幅度的影响,实际测量的ENOB是没法达到理想状态的;

 

图表 8示波器ENOB记录表

 

 

ENOB是衡量示波器ADC数模转换性能的指标之一,但更高的ENOB并不是示波器能够真实重现输入信号的必要条件。这主要取决于测量什么信号,以及ENOB是否会影响到测量结果。在实际应用中,可以通过以下几点提高示波器的ENOB以获得较高的测量精度。

 

示波器选择带宽限制滤波器,这样可以抑制交织误差和噪声等高频分量,从而获得更高的ENOB。

 

在测量重复性的或低频信号时,使用平均或高分辨率的采集模式,这样可以减少宽带噪声。综合使用这些模式可以有效进行更高精度测量。

 

选择合适的垂直量程,一般波形占屏80%~90%。


关键字:示波器 编辑:muyan 引用地址:http://news.eeworld.com.cn/Test_and_measurement/ic462538.html 本网站转载的所有的文章、图片、音频视频文件等资料的版权归版权所有人所有,本站采用的非本站原创文章及图片等内容无法一一联系确认版权者。如果本网所选内容的文章作者及编辑认为其作品不宜公开自由传播,或不应无偿使用,请及时通过电子邮件或电话通知我们,以迅速采取适当措施,避免给双方造成不必要的经济损失。

上一篇:最多可同步80个通道 Spectrum推出16位任意波形发生器
下一篇:“为工程师而生”:泰克是硅林的种子

关注eeworld公众号 快捷获取更多信息
关注eeworld公众号
快捷获取更多信息
关注eeworld服务号 享受更多官方福利
关注eeworld服务号
享受更多官方福利

推荐阅读

提升示波器波形质量,要靠OFF/ENVELOPE/AVERAGE这三种算法?
提到波形算法,容易想到示波器里数学运算功能“math”可以实现几十种的算法,完全满足应用需要,其中有个特色算法就是实时的FFT算法,可以实时显示频谱,实现时域和频域联调的功能。该文谈的算法主要针对测试波形做相应的算法,提升波形质量,分为三种:OFF,ENVELOPE,AVERAGE。几个概念为了更直观的说明波形算法这个概念,首先贴出图1,从图中可以看到在数据采集通道中,内插模式、抽取模式以及波形算法是在同一数据处理通道上,从ADC采集的数据经过内插模式或者抽取模式后,你可以根据测试需要选择合适的波形算法对多次采集的波形进行算法处理,内插模式和抽取模式可以与波形算法自由组合,选择比较灵活。本篇以4种抽取模式与3种波形算法的组合来主要
发表于 2019-10-21
提升示波器波形质量,要靠OFF/ENVELOPE/AVERAGE这三种算法?
深度解析示波器的DDC(数字下变频)技术的武林哲学
模拟信号经过ADC后变成数字信号,之后选择不同的窗函数进行加窗处理,最后直接做FFT将信号变换到频域。通过该种处理方式得到的频谱范围为0Hz至最大频率(通常数值上等于ADC采样率的一半),例如ADC采样率为5GSa/s,那么FFT得到的频谱范围为0Hz至2.5GHz。如果要观测某一段的频谱,则通过软件显示放大(Zoom)的方式将频谱放大显示到该频段。这种传统示波器频谱分析方式的好处在于,所有处理过程采用软件计算,且算法简单,因此便于实现。但如果追求更快的实时频谱测量或者更高精度的频谱分析,这种传统的处理方式就会显得非常困难。由于采用全软件的处理方式以及一直是对整个频率范围(0Hz至最大频率)做计算,因此处理速度会很慢,无法做到实时
发表于 2019-10-21
深度解析示波器的DDC(数字下变频)技术的武林哲学
什么是示波器?示波器的使用方法,示波器的工作原理
  什么是示波器?  示波器是一种用途十分广泛的电子测量仪器。它能把肉眼看不见的电信号变换成看得见的图像,便于人们研究各种电现象的变化过程。示波器利用狭窄的、由高速电子组成的电子束,打在涂有荧光物质的屏面上,就可产生细小的光点(这是传统的模拟示波器的工作原理)。在被测信号的作用下,电子束就好像一支笔的笔尖,可以在屏面上描绘出被测信号的瞬时值的变化曲线。利用示波器能观察各种不同信号幅度随时间变化的波形曲线,还可以用它测试各种不同的电量,如电压、电流、频率、相位差、调幅度等等。  示波器的使用方法:  示波器,“人”如其名,就是显示波形的机器,它还被誉为“电子工程师的眼睛”。它的核心功能就是为了把被测信号的实际波形显示在屏幕上,以供
发表于 2019-10-21
什么是示波器?示波器的使用方法,示波器的工作原理
模拟示波器的使用简介
一、模拟示波器的调整模拟示波器的调整和使用方法基本相同,现以MOS-620/640双踪示波器为例介绍如下:  1、MOS-620/640双踪示波器前面板简介MOS-620/640双踪示波器的调节旋钮、开关、按键及连接器等都位于前面板上,如图6.1.27所示,其作用如下:  (1)示波管操作部分  6——“POWER”:主电源开关及指示灯。按下此开关,其左侧的发光二极管指示灯5亮,表明电源已接通。  2——“INTEN”:亮度调节钮。调节轨迹或光点的亮度。  3——“FOCUS”:聚焦调节钮。调节轨迹或亮光点的聚焦。  4——“TRACE ROTATION”:轨迹旋转。调整水平轨迹与刻度线相平行。33——显示屏。显示信号的波形
发表于 2019-10-21
模拟示波器的使用简介
如何验证电流探头的可靠性?
  电流探头是示波器测量电流的必备配件,但不同品牌之间价格往往差别很大,到底什么样的电探头才是可靠的呢?这里分享了电流探头可靠性验证的完整过程,并呈现所有实测结果,您也可依据此法对自己使用的电流探头进行验证。  本文针对ZCP0030-50电流探头进行了全方位性能参数验证, 主要测试参数包括直流精度、上升时间、方波响应、噪声、以及开关电源开关管电流波形实测。为了让实测结果更加直观,我们选择T公司的TCP312电流探头作为实测对比,并且在所有测试配有图片和测试结果,保证测试过程可追溯。  一、直流精度验证  ZCP0030-50标称直流精度为1%rdg±1mV,实测精度如表1所示。  1、测试条件  精度测试所使用试仪
发表于 2019-10-21
如何验证电流探头的可靠性?
最全的示波器探头接口整理汇总
  很多用户有这样的困惑:实验室多种示波器和探头,不同厂家的探头和示波器能不能混用呢?会不会对测量造成影响?有些探头的形状特殊,这种特殊设计的探头是出于技术考虑还是商业模式考虑?是否可以兼容其他型号的示波器呢?下面将一一为大家揭晓。  1、BNC接头  BNC接头是一种用于同轴电缆的连接器,即卡口配合型连接器,现在广泛用于信号间的连接与传输,包括模拟或数字信号的传输、业余无线电设备天线的连接、航空电子设备和其他的一些电子测试设备的连接。  图1 BNC接头  BNC的特性阻抗为50Ω/75Ω,频率范围可达2GHz,可以满足仪器带宽速度和测量性能的需求,普通的BNC连接器体积小,频率高,已经成为常用的探头接头类型。  图2 探头
发表于 2019-10-21
最全的示波器探头接口整理汇总
小广播
电子工程世界版权所有 京ICP证060456号 京ICP备10001474号 电信业务审批[2006]字第258号函 京公海网安备110108001534 Copyright © 2005-2019 EEWORLD.com.cn, Inc. All rights reserved